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【天富娱乐代理奖金】为人机协作机器人的应用程序设计中,添加关于考虑安全性的功能

协作机器人技术在工业应用中具有很大的使用潜力。然而,这种潜力目前还没有被发掘出来,其中一个原因是在规划和设计中面临的挑战,同时还要考虑这些新型应用的安全要求。在该研究中,研究者将使用一个典型的应用来描述在规划一个以人机协作为特征的工业应用时的许多设计决策。研究者的方法使用基于模型的系统工程概念,在设计阶段考虑应用的安全相关方面。使用基于研究者的方法的软件实现,研究者将比较设计结果,包括所需的占地面积和周期时间,然后讨论研究者的方法对规划其他机器人任务的影响。使用研究者的方法,机器人周围所需的分离区域减少了66%以上,其特点是一个特定的机器人以100%的最大可能速度运行。本文以“Methods for considering safety in design of robotics applications featuring human-robot collaboration”为题于2020年3月19日发布于《The International Journal of Advanced Manufacturing Technology volume 》杂志上。

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研究背景与实验

工业上对设计机器人应用程序的新方法有着巨大的需求,这些应用以人机协作(HRC应用)为特征。目前的人权理事会应用规划方法遵循非线性和高度迭代的过程,经常出现意想不到的缺陷。因此,完整的系统通常是昂贵的,并且需要大量的时间来设计、构建和验证。此外,设计阶段的不确定性往往导致原型首先被建造和验证,以便对工艺参数作出实际的估计,从而导致额外的成本。

设计过程,从第一个草图开始,以应用程序的运行为尾声,需要付出很大的努力才能满足现有的卫生和安全法规和标准所规定的安全要求。在介绍了最先进的技术之后,研究者将描述一个典型的应用程序,突出设计决策目前是如何在工程实践中做出的。特别是,研究者将强调关键的安全挑战和整个设计过程中的信息流。这包括了解与安全相关的信息来源于何处,某一特定步骤需要哪些专业知识,以及用于存储和处理信息的软件。然后,研究者将介绍研究者考虑HRC应用程序安全性的方法,该方法结合了基于模型的系统工程概念,并与当今使用的CAD/仿真工具兼容。使用同样的例子,研究者将比较研究者建议的方法的结果与现有的安全相关参数的技术,例如最小所需的分离距离和循环时间的大小。

这项工作的主要贡献有两方面。从理论上看,主要贡献是在设计具有速度和分离监控功能的HRC应用程序时,提出了考虑安全相关特性的集成方法。从实际的角度出发,该研究的贡献是在典型的机器人仿真环境中对安全系统进行建模,以及一个简化的工作流程,包括设计HRC系统的决策过程。

安全应用于协同机器人是近几十年来一个活跃的研究课题。事实上,如果不保证附近人类的身体完整,就不可能想象人类和机器人共享同一个工作空间并进行身体交互。在这方面,安全系统应该是可靠的,以尽量减少对人类和设备的风险。

为了辅助机器人的设计和应用,研究者考虑了一种限制力和功率限制的协作应用程序。研究人员研究了机器人共享环境下的机器人运动生成算法。提出了一种在保证机器人工作效率的同时加强安全性的运动学控制策略。这种方法在一个双臂机器人上进行了实验验证,该机器人每臂7自由度,执行操作任务。

工业人权委员会申请的规划涉及大量个别任务,传统上由一个具有不同专长领域的小组执行。在图中使用了修正的生命周期模型。

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图为基于ISO/IEC/IEEE 15288:2015通用生命周期模型的工业HRC应用生命周期模型

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图为基于机械指令2006/42/EC的HRC在制造中应用的不同阶段流动模型

遵循这一初步概念的应用,具体细节的设计是交叉参照,以确保一般和基本的要求得到满足。

在满足了机器人系统的一般要求后,设计人员可以进一步详细描述机器人系统的设计过程。这包括机器人和人类完成哪些任务,设想什么形式的HRC,以及在不同的步骤中将使用什么相应的保护模式。在下一步中,需要定义系统限制。这包括对机器人的限制区域的说明,以及机器人的最大速度。在这一点上,有可能审查关键的经济参数,如周期时间分析。在审查了这些要求之后,进行了危险识别和风险评估。到这个时候,设计已经相当先进,并且有可能识别出真正的、特定的危险。

最近的研究工作集中在使用基于模型的工程方法来进行协作机器人应用的风险分析。不幸的是,这些方法没有处理安全区的大小和安全要求对环境、互动类型和整个过程的总体影响等问题。在这里,很多工作都集中在应用不同的保障技术上。如果剩余的风险太高,设计师可以实施额外的危险消除和减少风险的措施。这些可以包括额外的安全传感器,对过程系统工程方法已应用于许多行业,目前正在一定程度上应用于机器人技术的具体问题,特别是软件工程或环境的更改。

为了给出研究者在设计HRC应用程序时考虑安全性的方法,研究者将介绍一个示例性用例,该用例目前是手动执行的,应该与协作机器人一起执行。该应用程序是从汽车行业的实际用例中派生出来的。关于零件几何学的具体信息已经改变,以保护机密的,专有的信息。然而,这些变化只是表面的,并不影响应用程序或人权委员会解决方案的相关性质。

这里使用的任务集中在托架的手动组装,作为预装配站的一部分(而不是移动线的一部分)。托架以木制托盘的形式送到车站,并将三层深的托盘堆放在托盘中。当需要托架时,操作者从装配表走到托盘。操作人员从托盘中移除支架,走回组装表,并将紧固件安装到支架上。当预装配任务完成后,他们会将完成的零件放在一个单独的载体中,在那里由物流操作人员捡起。这个应用程序对操作人员来说是人类工程学上的挑战,特别是深入到托盘中从底层提取括号的任务。

风险缓解过程从安全专家开始,分析风险评估的结果,并指定需要更改的地方。在此步骤中,安全专家还批准使用SSM作为保护模式。在此基础上,设计人员使用机器人速度、有效载荷和扩展的假设来确定制动时间和离制造商数据表的制动距离。设计者使用这些以及来自风险缓解措施(例如,安全传感器)的初步假设来确定最低要求安全区的大小。在这一步中,还有很多来自安全传感器的重要配置设置,这些配置需要定义或假设,以便估计正确的安全区。

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图为机器人安全布局

在这个步骤中,设计人员回顾了最终的安全概念,并根据系统的需求验证了解决方案。

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图为机器人安全实验模拟

所提出的方法将基于模型的系统工程实践应用于如何在设计人权委员会应用程序的过程中考虑安全性问题。因此,在定义新系统的体系结构之前,研究者从需求的规范开始。然后,研究者设计了研究者需要的各个模型,这些模型不仅在物理上描述了组件,而且还描述了与安全性相关的方面(例如,包括性能特性和传感器配置等属性)。研究者将只简要描述单个安全传感器的建模过程,首先明确定义建模工作的范围,然后描述模型的主要属性及其与整个系统的连接。

作为基于模型的系统工程的第一步,研究者首先明确定义对系统的要求,在研究者的例子中,这是一个在设计HRC应用程序时支持安全性分析的工具。以目前设计人权理事会应用程序的设计方法为出发点,制定了一些对工程工具和/或简化设计程序的高层次要求:

1.需求跟踪,以验证设计是否满足指定的和显式制定的需求。

2.支持考虑与安全有关的问题(根据iso 10218-1、iso 10218-2和iso/ts 15066)以及其他相关标准和指令。

3.支持什么-如果分析涉及到人权委员会应用程序的所有方面,以改进/优化设计并了解如何改变参数(例如,机器人速度)

4.支持数据往返,以便系统模型可以与现有的工程工具(如CAD和仿真软件)一起使用。

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图为利用现有CAD/仿真软件工具和提出的计算机辅助安全工具对设计人员工作流程的顺序图

作为第一步,研究者希望设计师能够从安全传感器池中进行选择,这些传感器已经证明在安全相关的应用中是有效的。确定特定传感器是否有效使用的最简单方法是检查传感器是否符合iso 13849所要求的性能水平,还是按照iec 61508的要求达到所需的安全完整性级别(SIL)。下一步,研究者使设计人员能够根据流程的操作参数确定所需的最小分离距离。这将与目前使用的方法形成鲜明对比,该方法依赖于谨慎的最坏情况,并将其应用于整个过程。以前的工作很好地解释了各个术语以及它们是如何确定的。

首先,可以对具有这些关键安全相关属性的通用传感器进行建模。为了支持真实世界的实现,需要单个传感器的特定模型,模型中还需要包括多个采样或反应时间、传感器分辨率和扫描范围之间的约束等进一步的配置参数。在这种情况下,研究者还看到了静态属性(例如,那些可以从数据表中派生并且不独立于特定于用户的配置或设置的属性)和由用户选择的动态属性。

所有的机械和机器人信息都是从仿真中提取出来的。这包括机器人关节速度,关节配置,运动规范和有效载荷信息。它还包括所有组件的位置信息。在许多情况下,计算最小分离距离所需的属性无法从模拟中获得。这包括传感器配置细节等信息,以及机器人的其他参数,如最大有效载荷或最大机器人距离。此数据存储在具有组件模型信息的内部数据库中,从而可以使用不同的方法填充数据库中的信息。

实验结论

该研究提出了一种以速度和分离监控为特征的HRC应用安全建模方法,以加快设计过程(节省时间),并将专门用于分离距离的工厂布局尺寸减少66%。这些人权理事会应用的特点是其复杂性,因为不同的系统参数(硬件、传感器范围或机器人速度)之间的相互依赖。提议的方法与目前的做法作了比较。结果表明,采用研究者提出的方法,可以快速地改变应用程序,特别是组件的位置和过程本身(即调整机器人的速度),以实现特定的设计目标,如应用程序的最小周期时间或最小足迹。示例性用例比较突出了在具有非常粗略估计的电子表格上进行的最坏情况计算与通过集成在仿真中的CAS工具提供的更细粒度方法之间的区别。

作为一种展望,研究者建议研究者对完整系统的安全相关属性进行建模的总体方法可以对未来的机器人应用程序产生广泛的影响,这些应用程序在运行时具有灵活性和在线更改功能。目前,在整个系统投入使用后,需要对其进行验证,以确保该系统确实达到预期的安全效果。

参考文献:José Saenz, Roland Behrens, Erik Schulenburg, Hauke Petersen, Olivier Gibaru, Pedro Neto & Norbert Elkmann Methods for considering safety in design of robotics applications featuring human-robot collaboration The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2313–2331(2020)

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